JP6668321B2 - 誤差補償装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は一種の誤差補償装置に関するもので、特に一種の予め係数を構築するモジュールを通し、異なる切削条件でも応用可能な誤差補償装置を指す。

第三次工業革命以来、PLCのロボットアームとロボットは工業生産分野において重要な地位を占め始めた。特に精密加工やIT産業に広く汎用されるロボットアームは、そのポジショニングの正確度が極めて重要となっている。

ロボットアームにとって、ポジショニングの困難な点は様々な避けられない誤差を克服する必要があるところで、大まかに二種類に分けられる：一つが幾何学的誤差で、例えばロボットアームの各連桿のパラメータ誤差、その参考座標と実際の空間座標系との誤差、或いはロボットアームの各関節の軸線の平行度の誤差がある。二つ目が非幾何学的誤差である。その内で最も顕著なのが熱誤差で、次がギアを組み合わせる際に生じるバックラッシュ誤差、或いは関節、連桿の外部からの力或いは自体の重量による変形誤差がある。

上述の誤差は総合的にロボットアーム上に現れるため、様々な誤差原因に対して逐一対応する誤差補償モジュールを構築することは難しい。たとえ誤差補償モジュールを構築したとしても、ロボットアームの各部品に個体誤差が存在したり、或いは組立時に生じた誤差もそれぞれ異なるため、往々にして誤差補償モジュールが適用出来なくなる。そのことが誤差の補償校正作業を異常に困難にしている。

そのため、現有技術の不足部分を克服すべく、本発明は変形しないスペックルのオブジェクト表面における位置移動量を利用して絶対誤差を定義し、その誤差に基づいて補償作業を行なう一種の誤差補償装置および方法を提出する。

本発明の一つの実施方法に基づき、一種の誤差補償装置を提供する。一つのオブジェクトの位置移動の誤差を検測ならびに補償するもので、誤差補償装置には少なくとも一つのカメラモジュール、一つの照合モジュールおよび一つの校正補償モジュールが含まれる。カメラモジュールは前述のオブジェクトに対する一つの空間座標系を構築し、且つカメラモジュールは第一カメラ装置および第二カメラ装置を含む。第一カメラ装置は前述オブジェクトの第一表面に対応し、且つ第一表面上の複数第一非変形なスペックル画像を撮影する。第二カメラ装置は前述オブジェクトの第二表面に対応し、且つ第二表面上の複数第二非変形なスペックル画像を撮影する。その内の第一表面と第二表面はオブジェクトに対して一方位角さがある。照合モジュールはそれぞれ第一表面と第二表面の位置移動前後の二つの第一非変形なスペックル画像および二つの第二非変形なスペックル画像を照合し、且つそれに基づいて第一表面および第二表面の前述の空間座標系における位置移動量を計算する。校正補償モジュールは前述オブジェクトに連接し、且つ照合モジュールが第一表面および第二表面の位置移動量を受信した後、その二つの位置移動量に基づいてオブジェクトの移動を制御する。

これにより、本実施方法は第一表面および第二表面の位置移動前後に撮影された非変形なスペックル画像の照合を通して、オブジェクト表面上の如何なる一点の移動距離と方向を求めることが可能である。また、スペックルの位置移動量は既に全ての誤差の総合的な表現結果であるため、再度各種誤差原因に対して補償モジュールを構築する必要はなく、よりスピーディー、かつ精確な誤差補償効果を持つ。

一つの実施例において、前述の空間座標系は直角座標系或いは円柱座標系とすることが可能。

一つの実施例において、前述の位置移動量は長さ或いは角度とすることが可能。

一つの実施例において、前述の方位角は９０度とすることが可能。

一つの実施例において、前述のオブジェクトは一つのロボットアーム上に設置することが可能。

一つの実施例において、前述のオブジェクトは不変鋼（Invariable Steel）（インバー（登録商標））或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質とすることが可能。

一つの実施例において、前述の第一表面および第二表面の位置移動量は絶対誤差値の和(Sum of Absolute Differences，SAD)、二乗誤差(Sum of Squared Differences，SSD)、頑健な特徴量の高速化(Speeded Up Robust Features，SURF)、スケール不変の特徴変換(Scale Invariant Feature Transform, SIFT)、或いは正規化相互相関(Normalized Cross Correlation, NCC)によって計算する。

一つの実施例において、前述のカメラモジュールの数は二つであり、且つ二つの該当カメラモジュールはそれぞれ対応するオブジェクトの両側に位置する。

上述の実施例により、本発明は直角座標或いは円柱座標の誤差補償作業に応用することが可能で、且つ二つのカメラ装置は異なる方位角から撮影を行なうため、オブジェクトの三次元における全ての方向位置移動を精確に計算することが可能である。また、不変鋼（Invariable Steel）（インバー（登録商標））或いはゼロ膨張ガラスの使用により誤差補償装置を校正状態に維持することが可能で、カメラモジュールが自体の位置移動により撮影する非変形なスペックル画像と実際の位置が対応しない問題も避けられる。

本発明のもう一つの実施方法に基づき、一種の誤差補償方法を提供する。以下のステップを含む：第一カメラ装置および第二カメラ装置を含む少なくとも一つのカメラモジュールを提供。カメラモジュールのオブジェクトに対する一つの空間座標系を構築。第一カメラ装置を操作して前述のオブジェクトの一つの第一表面上の複数第一非変形なスペックル画像を撮影。第二カメラ装置を操作して前述のオブジェクトの一つの第二表面上の複数第二非変形なスペックル画像を撮影、第一表面と第二表面は前述のオブジェクトに対して一方位角の差がある。第一表面と第二表面の位置移動前後における二つの第一非変形なスペックル画像および二つの第二非変形なスペックル画像を照合。二つの第一非変形なスペックル画像および二つの第二非変形なスペックル画像に基づき第一表面および第二表面の空間座標系における位置移動量を計算。前述の位置移動量に基づきオブジェクトの移動を制御。

前述の誤差補償方法により、本発明はカメラ装置を通して非変形なスペックル画像を撮影し、その後オブジェクトの移動前後に撮影された非変形なスペックル画像を照合することで、オブジェクト上のいずれの表面、いずれの位置における移動量でも素早く求めることが可能となり、さらにその移動量を直接誤差の補償に応用することが可能である。そのため、本実施方法が採用する誤差補償方法は様々な誤差原因に対して逐一校正する必要が無く、撮影位置の位置移動量を直接計算することで、誤差補償をより精確かつ効率的にしている。

一つの実施例において、前述の空間座標系は直角座標系或いは円柱座標系とすることが可能。

一つの実施例において、前述の位置移動量は長さ或いは角度とすることが可能。

一つの実施例において、前述の方位角は９０度とすることが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法は以下を含むことが可能：前述のオブジェクトを一つのロボットアーム上に設置する。

一つの実施例において、前述のオブジェクトは不変鋼（Invariable Steel）（インバー（登録商標））或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質とすることが可能。

一つの実施例において、前述の第一表面および第二表面の位置移動量は絶対誤差値の和(Sum of Absolute Differences，SAD)、二乗誤差(Sum of Squared Differences，SSD)、頑健な特徴量の高速化(Speeded Up Robust Features，SURF)、スケール不変の特徴変換(Scale Invariant Feature Transform, SIFT)、或いは正規化相互相関(Normalized Cross Correlation, NCC)によって計算する。

一つの実施例において、前述のカメラモジュールの数は二つであり、且つ二つの該当カメラモジュールはそれぞれ対応するオブジェクトの両側に位置する。

本発明の一つの実施方法である誤差補償装置の構造ブロック図である。 図１の誤差補償装置のカメラモジュールの直角座標系におけるイメージ図である。 図２Ａの誤差補償装置の非変形なスペックル画像の位置移動イメージ図である。 図１の誤差補償装置のカメラモジュールの円柱座標系におけるイメージ図である。 図３Ａの誤差補償装置の非変形なスペックル画像の位置移動イメージ図である。 図１の誤差補償装置をロボットアームに応用した際のイメージ図である。 本発明のもう一つの実施方法である誤差補償方法のステッププロセス図である。

本発明の目的、特徴および効果を充分に理解するため、下記の具体的な実施例を通し、添付する図面と合わせて、本発明に対して詳しく説明する。説明は以下の通り：
図１、図２Ａ、図２Ｂと併せてご参照頂きたい。本実施方法の誤差補償装置１００は一つのオブジェクトＯの位置移動誤差の検測ならびに補償のために使用し、且つ誤差補償装置１００は少なくとも一つのカメラモジュール２００、一つの照合モジュール３００および一つの校正補償モジュール４００を含む。カメラモジュール２００は前述のオブジェクトＯに対する一つの空間座標系を構築し、且つカメラモジュール２００は一つの第一カメラ装置２１０および一つの第二カメラ装置２２０を含む。図２Ａと図２Ｂが示している通り、第一カメラ装置２１０は前述のオブジェクトＯの第一表面Ｅ１に対応し、且つ第一表面Ｅ１上の複数第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'を撮影する。具体的に説明すると、前述のオブジェクトＯが移動する時、第一カメラ装置２１０が対応する第一表面Ｅ１の位置は変わるため、第一カメラ装置２１０が撮影する第一非変形なスペックル画像Ｐ１もＰ１'に位置が変化する。そのため前述の複数第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'は、オブジェクトＯが移動する時、第一カメラ装置２１０が第一表面Ｅ１上の各位置に対して撮影した画像の集合を意味する。同様に、第二カメラ装置２２０はオブジェクトＯの第二表面Ｅ２に対応し、且つ第二表面Ｅ２上の複数第二非変形なスペックル画像Ｐ２、Ｐ２'を撮影する。その内、第一表面Ｅ１と第二表面Ｅ２はオブジェクトＯに対して一方位角の差がある。前述の第一表面Ｅ１と第二表面Ｅ２の位置移動時において、照合モジュール３００は位置移動前後の二つの第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１’および二つの第二非変形なスペックル画像をそれぞれ照合し、それにより第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の前述空間座標系における位置移動量ｄを計算する。

本実施方法の中で、前述の非変形なスペックル画像はコヒーレンス光源を使ってオブジェクトＯの表面を照射してから、オブジェクトＯ表面の模様から射出される光線を取得して形成される。ミクロ的視点の条件において、オブジェクトＯ表面上のいずれの２点で撮影された模様は完全に一致することはあり得ない。故に、事前に撮影した第一表面Ｅ１と第二表面Ｅ２上の各位置の模様画像により、各画像および位置のデータベースを作成して、後続の誤差補償作業に応用する。例を挙げると、第一カメラ装置２１０がオブジェクトＯの移動前後にそれぞれ第一表面Ｅ１上の二つの位置を撮影し、照合モジュール３００が二つの第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'をデータベースと照合すると、素早く二つの第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'の第一表面Ｅ１上における位置を見つけ出し、第一表面Ｅ１の位置移動量ｄを算出することが可能である。

本実施方法で述べる位置移動量ｄは絶対誤差値の和(Sum of Absolute Differences，SAD)、二乗誤差(Sum of Squared Differences，SSD)、頑健な特徴量の高速化(Speeded Up Robust Features，SURF)、スケール不変の特徴変換(Scale Invariant Feature Transform, SIFT)、或いは正規化相互相関(Normalized Cross Correlation, NCC)によって算出することが可能だが、これらに限らない。

上述の方法を使って移動前後の非変形なスペックル画像の位置を取得し、校正補償モジュール４００は前述の位置移動量ｄを受信して誤差補償作業を行なう。詳しく言うと、全ての誤差補償作業は順運動学(forward kinematics)及び逆運動学(inverse kinematics)を利用して繰り返し誤差を修正しており、順運動学はオブジェクトＯの移動量、回転量或いはその他原因による位置移動に基づいてオブジェクトＯ表面上のいずれの一点の最終位置を計算する。逆運動学はオブジェクトＯ表面上のいずれの一点の現在位置と次の目標位置に基づいてオブジェクトＯの移動方法を決定する。本実施方法の中で、校正補償モジュール４００はオブジェクトＯと連接しており、誤差が生じた時、校正補償モジュール４００はまず前述の位置移動量ｄに基づき、逆運動学を利用して当位置移動量ｄを修正する移動パラメータを算出（例：線形移動量、回転量）し、次にオブジェクトＯを目標位置へ移動させる。第一表面Ｅ１或いは第二表面Ｅ２が新たな位置に到達したら、照合モジュール３００が新たな位置と目標位置との差異を照合し、順運動学を利用して前述の移動パラメータを調整する。そして再度新たな位置と目標位置の非変形なスペックル画像の位置移動量ｄを照合し、それに基づいて校正補償モジュール４００は引き続き誤差を補償する。

引き続き図３Ａと図３Ｂをご参照頂きたい。その他実施例において、カメラモジュール２００が応用可能なオブジェクトＯは平坦な表面に限らない。例えばオブジェクトＯは円柱型或いはその他不規則な形状であっても良く、前述の空間座標系は直角座標系(ΔX、ΔY、ΔZ)、円柱座標系(Δr、Δθ、Δh)或いはその他座標系であっても良い。同様に、前述の位置移動量ｄも長さに限らず、角度であっても良い。

図２Ｂおよび図３Ｂで示している通り、前述の第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の方位角の差は９０度とすることが可能。図２Ｂを例に挙げると、撮影方向に制限され、第一カメラ装置２１０は第一非変形なスペックル画像のZ方向における位置移動量ｄを撮影することが難しく、第二カメラ装置２２０は第二非変形なスペックル画像のＸ方向における位置移動量ｄを撮影することが難しい。故に、第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の方位角の差により本実施方法は異なる方向からオブジェクトＯの位置移動量ｄを求めることが可能である。特に説明すべき点は、９０度の方位角は座標系の各軸方向の位置移動量ｄを求めるためのもので、オブジェクトＯの表面が不規則である場合（例えばオブジェクトＯがロボットアームＭである、或いはロボットアームＭ上に設置されている）、前述の方位角は９０度よりも大きい或いは小さい可能性が高い。但し方位角の差異は位置移動量ｄの計算に影響しない。

引き続き図４をご参照頂きたい。その図面は本実施方法の誤差補償装置１００をロボットアームＭに応用する際のイメージ図である。誤差補償装置１００は二つ以上のカメラモジュール２００を含むことも可能で、且つ二つのカメラモジュール２００の位置はそれぞれオブジェクトＯの両側に対応する。図４で示している通り、ロボットアームＭの方が長いため、自身の重量が末端での非幾何学的誤差を生じさせる可能性がある。オブジェクトＯの両側にカメラモジュール２００を設置することで、より精確に第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の位置移動量ｄを検測することが出来る。また、誤差補償装置１００は直接ロボットアームＭ上に設置する以外に、ゼロ負荷フレーム(unloading frame)のオブジェクトＯ上に設置することも可能で、且つオブジェクトＯ自体に想定外の変形が生じることを避けるために、前述のオブジェクトＯは不変鋼（Invariable Steel）（インバー（登録商標））或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質とすることが可能。

図４では多段の連桿を持つロボットアームＭの例を示しており、カメラモジュール２００はオブジェクトＯ或いはロボットアームＭ上に設置することが可能で、且つ誤差補償装置１００は多数のカメラモジュール２００を含むことが可能。ロボットアームＭの台座を基準店として、全てのカメラモジュール２００の位置移動量ｄは次のカメラモジュール２００の位置を校正するために利用されるため、照合モジュール３００は全てのカメラモジュール２００に対してその位置移動量ｄを校正することが可能。それによって各カメラモジュール２００のロボットアームＭ上における位置誤差を求めてから、ロボットアームＭの各部位に対して、ロボットアームＭ末端のアクチュエータに至るまで逐一校正補償を行なう。

上述の実施方法により、本実施方法はロボットアームＭ或いはその他自動化設備の誤差補償に応用することが可能で、且つ本実施方法は誤差の最終結果に対して測量および補償を行なうため、各種誤差原因および修正方法を個別に考えずに済み、補償結果がより精確になるだけでなく、同時に誤差補償の困難度も低下させている。

図５をご参照頂きたい。本発明のもう一つの実施方法に基づき、一種の誤差補償方法５００を提供する。以下のステップを含む：ステップ５１０は一つの第一カメラ装置２１０および一つの第二カメラ装置２２０を含む少なくとも一つのカメラモジュール２００を提供する。ステップ５２０はカメラモジュール２００のオブジェクトＯに対する一つの空間座標系を構築する。ステップ５３０は第一カメラ装置２１０を操作してオブジェクトＯの一つの第一表面Ｅ１上の複数第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'を撮影。ステップ５４０は第二カメラ装置２２０を操作してオブジェクトＯの一つの第二表面Ｅ２上の複数第二非変形なスペックル画像Ｐ２、Ｐ２'を撮影、そのうち第一表面Ｅ１と第二表面Ｅ２はオブジェクトＯに対して一方位角の差がある。ステップ５５０は第一表面Ｅ１と第二表面Ｅ２の位置移動前後における二つの第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'および二つの第二非変形なスペックル画像Ｐ２、Ｐ２'を照合。ステップ５６０は二つの第一非変形なスペックル画像Ｐ１、Ｐ１'および二つの第二非変形なスペックル画像Ｐ２、Ｐ２'に基づき第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の前述の空間座標系における位置移動量ｄを計算。ステップ５７０は前述の位置移動量ｄに基づきオブジェクトＯの移動を制御。

本誤差補償方法５００の詳しい実施方法は前述の誤差補償装置１００で述べられているのと同様であるため、ここでは再度詳細説明はしない。本実施方法はオブジェクトＯ上のいずれの位置の最終位置移動結果を直接測量し、且つそれに基づいて校正を行う。現有技術の、例えば各種熱誤差模型、力分析模型の構築、さらに逐一校正補償を行なう方法に比べ、本誤差補償方法５００はよりスピーディーかつ精確な効果を具えている。同時に、いずれの位置の位置移動結果に対しても校正を行ない、部品組み立て時のバックラッシュ誤差や部品自体のサイズ誤差について考慮する必要も無いため、校正補償作業をより単純化させることが可能である。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００の空間座標系は直角座標系或いは円柱座標系とすることが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００の位置移動量ｄは長さ或いは角度とすることが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００の方位角は９０度とすることが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００のオブジェクトＯは一つのロボットアームＭ上に設置することが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００のオブジェクトＯは不変鋼（Invariable Steel）（インバー（登録商標））或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質とすることが可能。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００の第一表面Ｅ１および第二表面Ｅ２の位置移動量ｄは絶対誤差値の和(Sum of Absolute Differences，SAD)、二乗誤差(Sum of Squared Differences，SSD)、頑健な特徴量の高速化(Speeded Up Robust Features，SURF)、スケール不変の特徴変換(Scale Invariant Feature Transform, SIFT)、或いは正規化相互相関(Normalized Cross Correlation, NCC)によって計算する。

一つの実施例において、前述の誤差補償方法５００のカメラモジュール２００の数は二つであり、且つ二つのカメラモジュール２００はそれぞれ対応するオブジェクトＯの両側に位置する。

本発明は前述の中で既に優れた方の実施例を公開している。しかしながら本項技術に精通する者は、当該実施例は本発明を描画するためのものであり、本発明の範囲の制限と解読するべきではないことを理解するべきである。注意すべきことは、全て当該実施例と等しい変化および置換は、全て本発明の範疇内に含まれるものとすべきことである。そのため、本発明の保護範囲は特許範囲申請により定められたものを基準とすること。

１００ 誤差補償装置
２００ カメラモジュール
２１０ 第一カメラ装置
２２０ 第二カメラ装置
３００ 照合モジュール
４００ 校正補償モジュール
５００ 誤差補償方法
５１０〜５７０ ステップ
ｄ 位置移動量
Ｅ１ 第一表面
Ｅ２ 第二表面
Ｐ１、Ｐ１’ 第一非変形なスペックル画像
Ｐ２、Ｐ２’ 第二非変形なスペックル画像
Ｍ ロボットアーム
Ｏ オブジェクト

Claims (10)

1. 一種の誤差補償装置で、一つのオブジェクトの位置移動の誤差の検測ならびに補償のために用いる、当該誤差補償装置は以下を含む：
   少なくとも一つのカメラモジュール、それは当該オブジェクトに対する一つの空間座標系を構築し、且つ当該カメラモジュールは以下を含む：
   一つの第一カメラ装置、当該オブジェクトの第一表面に対応し、当該第一表面上の複数第一非変形なスペックル画像を撮影する、及び
   一つの第二カメラ装置、当該オブジェクトの第二表面に対応し、当該第二表面上の複数第二非変形なスペックル画像を撮影する、且つ当該第一表面および当該第二表面はオブジェクトに対して一方位角の差がある、
   一つのデータベース、事前に撮影した当該第一表面と当該第二表面上の各位置の模様画像を保存する、
   一つの照合モジュール、当該第一表面と当該第二表面が位置移動した際、当該照合モジュールは位置移動前後の二つの当該第一非変形なスペックル画像および第二非変形なスペックル画像と、当該データベースに保存した模様画像及び位置とをそれぞれ照合し、それに基づいて当該第一表面および当該第二表面の当該空間座標系における位置移動量を計算する、及び
   一つの校正補償モジュール、当該オブジェクトに連接し、当該校正補償モジュールは当該照合モジュールより当該位置移動量を受信した後、当該位置移動量に基づいて当該オブジェクトの移動を制御する。
2. 請求項１で述べた誤差補償装置について、その内の当該位置移動量は長さ或いは角度である。
3. 請求項１で述べた誤差補償装置について、その内の当該オブジェクトは一つのロボットアーム上に設置されている。
4. 請求項１で述べた誤差補償装置について、その内の当該オブジェクトは不変鋼或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質である。
5. 請求項１で述べた誤差補償装置について、その内の当該カメラモジュールの数は二つで、且つ二つの当該カメラモジュールはそれぞれ当該オブジェクトの両側に位置する。
6. 一種の誤差補償方法で、一つのオブジェクトの位置移動の誤差の検測ならびに補償に用いる、当該誤差補償方法は以下を含む：
   第一カメラ装置および第二カメラ装置を含む少なくとも一つのカメラモジュールを提供、
   カメラモジュールのオブジェクトに対する一つの空間座標系を構築、
   当該第一カメラ装置を操作して当該オブジェクトの一つの第一表面上の複数第一非変形なスペックル画像を撮影、
   当該第二カメラ装置を操作して当該オブジェクトの一つの第二表面上の複数第二非変形なスペックル画像を撮影、そのうち当該第一表面と当該第二表面は当該オブジェクトに対して一方位角の差がある、
   当該第一表面と当該第二表面上の各位置の模様画像を事前に撮影し、データベースに保存する、
   当該第一表面と当該第二表面の位置移動前後における二つの当該第一非変形なスペックル画像および二つの当該第二非変形なスペックル画像と、当該データベースに保存した模様画像及び位置とを照合、
   二つの当該第一非変形なスペックル画像および二つの当該第二非変形なスペックル画像に基づき当該第一表面および当該第二表面の当該空間座標系における位置移動量を計算、及び
   当該位置移動量に基づきオブジェクトの移動を制御。
7. 請求項６で述べた誤差補償方法について、その内の当該位置移動量は長さ或いは角度である。
8. 請求項６で述べた誤差補償方法について、以下を含む：
   当該オブジェクトを一つのロボットアーム上に設置する。
9. 請求項６で述べた誤差補償方法について、その内の当該オブジェクトは不変鋼或いはゼロ膨張ガラスセラミック材質である。
10. 請求項６で述べた誤差補償方法について、その内の当該カメラモジュールの数は二つであり、且つ二つのカメラモジュールはそれぞれ対応する当該オブジェクトの両側に位置する。